(1) Παραδόσεις του μαθήματος : Εισαγωγή στην πυρηνική...

ΚΝΠ, ΕΣΕισαγωγή

Περιεχόμεναn Η Πυρηνική και Σωματιδιακή Επιστήμη

u Πυρηνικά συστήματα και φαινόμεναn Σύντομη ιστορία του σύμπαντοςn Σύντομη ιστορία της κατανόησής μας της φύσης

u Ύλη και δυνάμεις που δρούν σε αυτήνn Η επιστήμη της κατανόησης του πυρήνα και τωνστοιχειωδών σωματιδίων

Κ. Παπανικόλας, Ε. Στυλιάρης(και με διαφάνειες από Π. Σφήκα)

Πανεπιστήμιο ΑθηνώνΕαρινό Εξάμηνο 2010-2011

4 Μαρτίου 2010 1Εισαγωγή στην Πυρηνική/Στοιχειώδη

ΕισαγωγήΕισαγωγή στηνστην ΠυρηνικήΠυρηνική καικαι ΣωματιδιακήΣωματιδιακή ΦυσικήΦυσική


Πυρηνική & Σωματιδιακή Φυσικήn Η πυρηνική φυσική επιζητά να δώσει μια θεμελιακήκατανόηση της ισχυρά αλληλοεπιδρούσας ύλης.

u Των αλληλεπιδράσεων που την κυβερνούνu Την θερμοδυναμική της συμπεριφοράu Την δομή των πυρηνικών συστημάτων

n Η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων επιζητά ναδώσει απαντήσεις στα εξής ερωτήματα:

u Ποιά είναι τα θεμελιώδη στοιχεία της ύλης;u Ποιές είναι οι θεμελιώδεις δυνάμεις που διέπουν τηνσυμπεριφορά τους;

n Κοινός στόχος: η κατανόηση του σύμπαντος και τουκόσμου γύρω μας, της προέλευσης και δομής της ύληςκαι ο έλεγχος και η αξιοποίηση της γνώσης


Εισαγωγή

Πυρηνική Φυσική καιΦυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων


Πυρηνική Φυσικήn Η Επιστήμη

u Μελετά Πυρηνικά Συστήματα και ΠυρηνικάΦαινόμενα

n Οι Εφαρμογές τηςu Πυρηνική Ενέργεια, Πυρηνικά Όπλαu Πυρηνική Ιατρική, Αρχαιομετρία, ΣυντήρησηΤροφίμων, Βιολογία κλπ.

n Πού και πώς διεξάγεταιu Παρατηρησιακά (λ.χ. Παρατηρήσεις ακτίνων γ απόουράνια σώματα)

u Πυρηνικά εργαστήρια (Επιταχυντές, Αντιδραστήρες, Πηγές Ακτινοβόλησης ...)



Πρόσφατες εφαρμογέςPositron Emission Tomography(PET) Τομογραφία ΕκπομπήςΠοζιτρονίων)

Positron Emission Tomography(PET) Τομογραφία ΕκπομπήςΠοζιτρονίων)

SPECT (Single PhotonEmission Tomography)SPECT (Single PhotonEmission Tomography)

Γ.Λούντος, Σ.Στυλιάρης et al.ΙΕΣΕ 2002

Γ.Λούντος, Σ.Στυλιάρης et al.ΙΕΣΕ 2002



Αστέρας Νετρονίωνn Η πυρηνική Φυσική δεν εξετάζει μόνο αντικείμενα τουΜικρόκοσμου! Η κβαντική φυσική είναι απαραίτητη! νακα

Μ < 3 ΜsunR ~ 15 kmT ~ 106 K → λ = 2.9 nmL = 0.3 Lsun

Μ < 3 ΜsunR ~ 15 kmT ~ 106 K → λ = 2.9 nmL = 0.3 Lsun

Εκπομπή ακτινοβολίας Χαλλά και ακτινοβολίας σεορατά μήκη κύματος

Εκπομπή ακτινοβολίας Χαλλά και ακτινοβολίας σεορατά μήκη κύματος



Πυρηνική Φυσική: αντικείμενοn Πυρηνικά Συστήματα

u Οι ατομικοί πυρήνεςu Ουράνια σώματα (λ.χ. αστέρες νετρονίων)u Το Σύμπαν στην γένεσή του (πρώτα δευτερόλεπτα)

n Πυρηνικά Φαινόμεναu Το ορατό σύμπαν κυριαρχείται από πυρηνικά φαινόμενα.u Ατομικοί Πυρήνες: H ύλη του πλανητικού μας συστήματος.u Καίρια ερωτήματα:

l Ποιες οι αλληλεπιδράσεις τους;l Ποια τα δομικά συστατικά των Πυρηνικών Συστημάτων;


ΚΝΠ, ΕΣΕισαγωγή 4 Μαρτίου 2010 8

Εισαγωγή στην Πυρηνική/Στοιχειώδη

Περιοδικός Πίνακας: Χημική Συμπεριφορά Ύλης


Ο χάρτηςΝουκλιδίωνκαταγράφει καιταξινομεί ιδιαίτεραοικονομικά όλα ταδέσμια πυρηνικάσυστήματα. Δένκαταγράφει, ούτεερμηνεύει τονπληθυσμό τωννουκλιδίων στη γή, στο Γαλαξία, στοΣύμπαν.

Ο χάρτηςΝουκλιδίωνκαταγράφει καιταξινομεί ιδιαίτεραοικονομικά όλα ταδέσμια πυρηνικάσυστήματα. Δένκαταγράφει, ούτεερμηνεύει τονπληθυσμό τωννουκλιδίων στη γή, στο Γαλαξία, στοΣύμπαν.

Ο πίνακας “Segre” – Χάρτης Νουκλιδίων: Πιοορθολογιστική Χαρτογράφηση!

n Πως «έφτιαξε» η φύση τα άτομα; Φτιάχνοντας ΠΡΩΤΑτους αντίστοιχους πυρήνες!



Ο Πληθυσμός των Πυρήνων στοΣύμπαν (Universal Abundances)



Πυρήνες στο Σύμπανn Προέλευση των ατομικών Πυρήνων

u Χαρτογράφησή τους (ποσότητα και τοποθεσία)u Κατανόηση των μηχανισμών Παραγωγής τους (πού και πότε)

n Ένα από τα πιο σημαντικά και ενεργά μέτωπα έρευναςστην σύγχρονη φυσική

n Διακρίνονται σε δύο «Ιστορικές Φάσεις»u Αρχέγονη Πυρηνογένεση (Big Bang Nucleosynthesis: BBN)

l Παραγωγή Αδρονίων, Η,D, He, Liu Αστρική Πυρηνογένεση

l Παραγωγή όλων των υπόλοιπων στοιχείων

4 Μαρτίου 2010Εισαγωγή στην Πυρηνική/Στοιχειώδη

11

ΚΝΠ, ΕΣΕισαγωγή 4 Μαρτίου 2010 12


ΚΝΠ, ΕΣΕισαγωγή 4 Μαρτίου 2010

Εισαγωγή στην Πυρηνική/Στοιχειώδη13

ZZ

NN

Διάσπαση ραδιενεργών ισοτόπων


100 χρόνια Πυρηνική Φυσικής:


14

ΜάθαμεΜάθαμε -- κατανοήσαμεκατανοήσαμε::

•Πως λειτουργεί ο ήλιος (και τα αστέρια)•Να χρονολογούμε (γη, πλανήτες, .. Το Σύμπαν)•Το περιοδικό πίνακα•Τα Φοβερά του Σύμπαντος «τέρατα¨»: εκρήξειςsupernova, μαύρες τρύπες..•Την ύπαρξη σκοτεινής ύλης


Supernova 1987a

Η κατανόηση του φαινομένου απαιτείγνώση της καταστατικής εξίσωσης τηςπυρηνικής ύλης και των β –διασπάσεων.


Στοιχειώδη Σωμάτια –Φυσική Υψηλών Ενεργειών

n Η Επιστήμηu Αναζήτηση των βασικών [«θεμελιωδών»] συστατικών της ύληςu Κατανόηση των δυνάμεων στη φύσηu Κατανόηση της δομής του κενού [ΕΙΝΑΙ όντως κενό?]u Διερεύνηση του τεχνολογικού μετώπου των υψηλών ενεργειών

n Οι Εφαρμογές τηςu Κυρίως: τεχνολογικοί παρεμφερείς τεχνοβλαστοί

l π.χ. στη πληροφορική, ηλεκτρονικά, ιατρικήn Πού και πώς διεξάγεται

u Παρατηρησιακά (λ.χ. παρατηρήσεις κοσμικών ακτίνων, παρατηρησιακή κοσμολογία)

u Εργαστήρια ΦΥΕ (Επιταχυντές, Αντιδραστήρες)



Ποιά είναι τα θεμελιώδη στοιχεία τηςφύσης;

ΕΜΠΕΔΟΚΛΗΣ (492-432 Π.Χ.) 4 βασικά στοιχεία

MENDELEEV (19ος αιώνας) Περιοδικός Πίνακας:>100 βασικά στοιχεία

Bohr, Rutherford(αρχές 20ου αιώνα) Δύο βασικάστοιχεία: ηλεκτρόνιο, πυρήνας

ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ ΚΛΑΣΣΙΚΗΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΚΒΑΝΤΙΚΗΜΗΧΑΝΙΚΗ



Απο το πρωτόνιο στα quark(s)ATOMO = ΠΥΡΗΝΑΣ + e

ΠΥΡΗΝΑΣ = ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΑ (p + n)

ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΟ = QUARKS (u + d)

NOYKLEONIO = QUARKS (u + d) + GLUONS

QUARKS = ? ΘΕΜΕΛΙΩΔΗ?

Μέχρι τα 10-3 fm(10-18 m) τα quarksσυμπεριφέρονταιως ΣΗΜΕΙΑ

Μέχρι τα 10-3 fm(10-18 m) τα quarksσυμπεριφέρονταιως ΣΗΜΕΙΑ



Βασικά συστατικά της φύσης (σήμερα)Σω

ματίδιαύλης

Σωματίδια

δυνάμεων

Το ΚΠ είναι μία όμορφηθεωρία.Είναι επίσης (κυρίως...) μίαθεωρία που δουλεύει: έχειελεγθεί με πολύ μεγάληακρίβεια.Ωστόσο μέχρι σήμερα[3/2011] λείπει ένα βασικόσυστατικό, το μποζόνιοHiggs!

Το ΚΠ είναι μία όμορφηθεωρία.Είναι επίσης (κυρίως...) μίαθεωρία που δουλεύει: έχειελεγθεί με πολύ μεγάληακρίβεια.Ωστόσο μέχρι σήμερα[3/2011] λείπει ένα βασικόσυστατικό, το μποζόνιοHiggs!

Τα τελευταία 100 χρόνια: συνδυασμός Κβαντικής Μηχανικήςκαι Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας Κβαντική ΘεωρίαΠεδίου: περιγράφει τον πυρήνα αλλά και τα quarks/leptons. Απαύγασμα: Καθιερωμένο Πρότυπο της [Σωματιδιακής] Φυσικής


Ιστορία του Σύμπαντος

Χρονική εξέλιξη απο t=0 έως t=13,6 δισ. έτη


Η πυρηνική φυσική της εξέλιξης τουΣύμπαντος


Προσοχή: άμεση αντιστοίχηση χρόνου – θερμοκρασίας.

[Παρόλο που η θερμοκρασία (ιδιαίτερα όταν δίνεται σε μονάδες ενέργειας, λ.χ. MeV, έχει καλύτερο φυσικό περιεχόμενο, οι μονάδες χρόνου δίνουν πιογλαφυρά την σύνδεση με την με την μεγάλη έκρηξη]


«εμφάνιση» νέων δυνάμεων- ΑλλαγήΦάσεων


Στην θεώρηση της εξέλιξης του Σύμπαντος, και στηνκατανόηση των θεμελιακών δυνάμεων της φύσης, συναντούμε την έννοια ότι κάτω από κάποια θερμοκρασία«εμφανίζονται» νέες δυνάμεις. Λ.Χ. κάτω από Τ= 100 GeV, η ηλεκτρασθενής διαχωρίζεταιστην ηλεκτρομαγνητική δύναμη και στη ασθενή πυρηνική.

Το φαινόμενο αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό με τηναναδρομή στην ενοποίηση των μαγνητικών και ηλεκτρικώνδυνάμεων από τους Faraday και Maχwell. Η «Μαγνητική»δύναμη «εμφανίζεται» κάτω από το σημείο (θερμοκρασία) Curie.


«Εμφάνιση» νέων δυνάμεων- ΑλλαγήΦάσεων. Μαγνητισμός σε σιδερομαγνήτη


«εμφάνιση» της «Μαγνητικής» δύναμης κάτω από τοσημείο Curie. [Θερμοκρασία Curie για σίδηρο: 770 C]

Για θερμοκρασία μεγαλύτερηαπό την θερμοκρασία Curie, η«μαγνητική» δύναμη είναι

Η «Μαγνητική» δύναμη«εμφανίζεται» κάτω από τοσημείο Curie – όπου τα σπιντων ατόμων προσανατολίζονται


-43s

??

10-42s: Εποχή της Κβαντικής Βαρύτητας


24

t < 10 -43 s : The Big Bang The universe is considered to have expanded from a single point with an infinitely high energy density (infinite temperature). Is there a meaning to the question what existed before the big bang? t - 10 -43 s, 10 32 K (10 19 GeV, 10 -34 m) : Gravity “freezes” out All particle types (quarks, leptons, gauge bosons, and undiscovered particles e.g.Higgs, sparticles, gravitons) and their anti-particles are in a thermal equilibrium (being created and annihilated at equal rate). These coexist with photons (radiation). Through a phase transition gravity "froze" out and became distinct in its action from the weak, electromagnetic and strong forces. The other three forces could not be distinguished from one another in their action on quarks and leptons. This is the first instance of the breaking of symmetry amongst the forces.

Η Βαρύτητα «χωρίζεται»ως δύναμη... Οι υπόλοιπεςδυνάμεις παραμένουν ωςμία [ενοποιημένη δύναμη] (Grand Unification)

Η Βαρύτητα «χωρίζεται»ως δύναμη... Οι υπόλοιπεςδυνάμεις παραμένουν ωςμία [ενοποιημένη δύναμη] (Grand Unification)


10-35 s: Εποχή Μεγάλης Ενοποίησης

t - 10-35 s, 1027 K (1016 GeV, 10-32 m) : Inflation The rate of expansion increases exponentially for a short period. The universe doubled in size every 10-34 s. Inflation stopped at around 10-32 s. The universe increased in size by a factor of 1050. This is equivalent to an object the size of a proton swelling to 1019 light years across. The whole universe is estimated to have had a size of ~1023 m at the end of the period of inflation. However the presently visible universe was only 3 m in size after inflation. This solves the problems of ‘horizon’ (how is it possible for two opposing parts of the present universe to be at the same temperature when they cannot have interacted with each other before recombination) and ‘flatness’ (density of matter is close to the critical density). t - 10-32 s : Strong forces freezes out Through another phase transition the strong force "freezes" out and a slight excess of matter over anti-matter develops This excess, at a level of 1 part in a billion, is sufficient to give the presently observed predominance of matter over anti-matter. The temperature is too high for quarks to rema clumped to form neutrons or protons and so exist in the form of a quark gluon plasma. The LHC can study this by colliding together high energy nuclei. 4 Μαρτίου 2010 25


Τέλος εποχής πληθωρισμού. Το σύμπαν συνεχίζει να αυξά-νεται. Η Μεγάλη Ενοποίησηδιασπάται. Οι ισχυρές καιηλεκτρασθενείς δυνάμειςδιαχωρίζονται

Τέλος εποχής πληθωρισμού. Το σύμπαν συνεχίζει να αυξά-νεται. Η Μεγάλη Ενοποίησηδιασπάται. Οι ισχυρές καιηλεκτρασθενείς δυνάμειςδιαχωρίζονται


10-10s: Εποχή ηλακτρασθενούς δύναμης

t - 10-10 s, 1015 K (100 GeV, 10-18 m) : Electromagnetic and Weak Forces separate The energy density corresponds to that at LEP. As the temperature fell the weak force "freezes" out and all four forces become distinct in their actions. The antiquarks annihilate with the quarks leaving a residua excess of matter. W and Z bosons decay. In general unstable massive particles disappear when the temperture falls to a value at which photons from the black-body radiation do not have sufficient energy to create a particle-antiparticle pair.


Η ηλεκτρασθενήςαλληλεπίδρασηδιασπάται: οΗλεκτρομαγνητισμός και ηΑσθενής δύναμηχωρίζονται.Δύο «νέες» δυνάμειςεμφανίζονται!

Η ηλεκτρασθενήςαλληλεπίδρασηδιασπάται: οΗλεκτρομαγνητισμός και ηΑσθενής δύναμηχωρίζονται.Δύο «νέες» δυνάμειςεμφανίζονται!


10-4s: Σχηματισμός πρωτονίωνκαι νετρονίων

t - 10 -4 s, 10 13 K (1 GeV, 10 -16 m) : Protons and Neutrons form The universe has grown to the size of our solar system. As the temperature drops quark-antiquark annihilation stops and the remaining quarks combine to make protons and neutrons. t = 1 s, 10 10 K (1 MeV, 10 -15 m) : Neutrinos decouple The neutrinos become inactive (essentially do not participate further in interactions). The electrons and positrons annihilate and are not recreated. An excess of electrons is left. The neutron-proton ratio shifts from 50:50 to 25:75.


Τα quark συνδυάζονταισχηματίζοντας πρωτόνιακαι νετρόνια

Τα quark συνδυάζονταισχηματίζοντας πρωτόνιακαι νετρόνια


102s: Σχηματισμός πυρήνων

t = 3 minutes, 109 K (0.1 MeV, 10-12 m) : Nuclei are formed The temperature is low enough to allow nuclei to be formed. Conditions are similar to those that exist in stars today or in thermonuclear bombs. Heavier nuclei such as deuterium, helium and lithium soak up the neutrons that are present. Any remaining neutrons decay with a time constant of ~ 1000 seconds. The neutron-proton ratio is now 13:87. The bulk constitution of the universe is now in place consisting essentially of protons (75%) and helium nuclei. The temperature is still too high to form any atoms and electrons form a gas of free particles.

Τα πρωτόνια και τανετρόνια συνδυάζονταισχηματίζοντας πυρήνες(He)

Τα πρωτόνια και τανετρόνια συνδυάζονταισχηματίζοντας πυρήνες(He)



3×105 έτη: άτομα και η εποχή του φωτός

t = 300 000 years, 6000 K (0.5 eV, 10-10 m) : Atoms are created Electrons begin to stick to nuclei. Atoms of hydrogen, helium and lithium are created. Radiation is no longer energetic enough to break atoms. The universe becomes transparent. Matter density dominates. Astronomy can study the evolution of the Universe back to this time.

Το σύμπαν γίνεταιδιαφανές και γεμίζει μεφώς!

Το σύμπαν γίνεταιδιαφανές και γεμίζει μεφώς!



109 έτη: Σχηματισμός γαλαξιών

t = 10 9 years, 18 K : Galaxy Formation Local mass density fluctuations act as seeds for stellar and galaxy formation. The exact mechanism is still not understood. Nucleosynthesis, synthesis of heavier nuclei such as carbon up to iron, starts occurring in the thermonuclear reactors that are stars. Even heavier elements are synthesized and dispersed in the brief moment during which stellar collapse and supernovae explosions occur.

Σχηματίζονται οιπρώτοι γαλαξίεςΣχηματίζονται οιπρώτοι γαλαξίες



13,6 δισεκατομύρια έτη: Σήμερα

t = 15 x 10 9 years, 3 K : Humans The present day. Chemical processes have linked atoms to form molecules. From the dust of stars and through coded messages (DNA) humans emerge to observe the universe around them.

Ο άνθρωποςπροσπαθεί νακαταλάβει αποπροήλθαν όλα

Ο άνθρωποςπροσπαθεί νακαταλάβει αποπροήλθαν όλα


Ιστορία της ανθρώπινηςκατανόησης των

θεμελιωδών στοιχείων καιτων δυνάμεων στη φύση


΄Ατομo-Πυρήνας: Ιστορική Αναδρομήn 1911 – Rutherford (Geiger & Marsden)

u Σκέδαση σωματιδίων αl Σημειακή μάζα πυρήνα με σημειακό φορτίο

n 1919 – Rutherfordu Πρώτη πυρηνική αντίδραση (14Ν + α → 17Ο + p)

l Ανακάλυψη του πρωτονίουn 1920 – Rutherford

u Υπόθεση ύπαρξης ουδετέρου σωματιδίου στον πυρήναn 1932 – Chadwick

u Ανακάλυψη του νετρονίου από τη σκέδαση σωματιδίων α σε Be


33


Δυνάμεις/Σωμάτια: Ιστορική Αναδρομήn 1933 – Anderson

u Ανακάλυψη του ποζιτρονίου (αντιύλης)n 1937 – Street & Stevenson

u Ανακάλυψη του μιονίου («βαρύ ηλεκτρόνιο»!)n 1938 – Hahn, Strassmann & Meitner, 1942 – Fermi

u Ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσηςu Ελεγχόμενη Σχάση, πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας

n 1947 – Powell et al.u Ανακάλυψη του πιονίου (ακολουθούν: καόνιο, Λ, ρ, η, Κ*, ...!)

n 1956 – Raines & Cowanu Ανακάλυψη νετρίνου

n 1969 – Κendall-Friedman-Tayloru Ανακάλυψη δομής πρωτονίων (των κουάρκ)


34


Δυνάμεις/Σωμάτια: Ιστορική Αναδρομήn 1974 – Ting & Richter

u Ανακάλυψη c quark (November revolution)n 1976 – Perl

u Ανακάλυψη λεπτονίου τ (τρίτη γεννιά ύλης!)n 1977 – Lederman

u Ανακάλυψη b-quark n 1983-84 – Rubbia (πείραμα UA1)

u Ανακάλυψη μποζονίων W&Z (ηλεκτρασθενής αλληλεπίδραση)n 1995 – CDF/D0 (FermiLab)

u Aνακάλυψη του t quark (Περιοδικός πίνακας ΚαθιερωμένουΠροτύπου)


35


Στοιχειώδη σωμάτια και δυνάμεις

Tau

Muon

Electron

TauNeutrino

MuonNeutrino

ElectronNeutrino

-1

-1

-1

0

0

0

Bottom

Strange

Down

Top

Charm

Up

2/3

2/3

2/3

-1/3

-1/3

-1/3

each quark: R, B, G 3 colors

QuarksElectric Charge

ΛεπτόνιαElectric Charge

Γλουόνια(8)

Quarks

ΜεσόνιαΒαρυόνια Πυρήνες

Γραβιτόνιο? ΜποζόνιαW,Z

ΆτομαΦώςΧημείαΗλεκτρονικά

Ηλιακό σύστημαΓαλαξίεςΜαύρες Τρύπες

Διάσπαση νετρονίουΑκτινοβολία βΑλληλεπιδράσεις νετρίνωνΚαύση ηλίου

Ισχυρή

Φωτόνια

Βαρύτητα Ασθενής

The particle drawings are simple artistic representations

Ηλεκτρομαγνητισμός



Κβαντική Θεωρία Πεδίουn Σχετικιστική κβαντική μηχανική:

u Σωματίδια ύλης (ημι –ακεραιο σπιν ½. 3/2,..) αλληλεπιδρούνμέσω της ανταλλαγής σωματιδίων δύναμης (ακεραιο σπιν 1,2.. )

u Δύναμη: αλληλεπίδραση, χρειάζεται «φορτίο». Το οποίο και θαπρέπει να διατηρείται. Που σημαίνει ύπαρξη συμμετρίας…

u Καθιερωμένο Πρότυπο: εσωτερική συμμετρία SU(3)xSU(2)xU(1)



Τα ερωτήματα του σήμερον...Τα ανοικτά ερωτήματα σήμεραn Κατανόηση της σκοτεινής ύλης

u Ανακάλυψη της, κατανόηση της

n Κατανόηση της καταστικής εξίσωσης της πυρηνικήςύλης

u Ανακάλυψη καινούργιων φάσεων πυρηνικής ύλησ, λ.χ.πλάσμακουάρκ – γκλουονίων

n Κατανόηση της δομής των αδρονίων και τουφαινομένου της Δέσμευσης

u Λύση της QCD σε χαμηλές ενέργειεςu Μελέτη της αδρονικής δομής


38


Τα ερωτήματα του σήμερον...Τα ανοικτά ερωτήματα σήμεραn Αναζήτηση του Σωματιδίου Higgs

u Κατανόηση του μηχανισμού παραγωγής μάζας

n Αναζήτηση τυχόν δομής των quarksu Σταματά η κβαντική κλίμακα εδώ?

n Αναζήτηση καινούργιων συμμετριών, μεγαλύτερης“απλοποίησης” της εικόνας

u Ενοποίηση όλων των δυνάμεων;u Περισσότερες των τεσσάρων διαστάσεων?


39

Η επιστήμη της κατανόησηςτου πυρήνα και των

στοιχειωδών σωματιδίωνΤο ΠΩΣ τα μαθαίνουμε όλα αυτάΓιατί χρειαζόμαστε επιταχυντές

Γιατί οι επιταχυντές είναι [πλέον] τεράστιοι


Πως τα έχουμε μάθει όλα αυτά?Παρατηρώντας τα αντικείμενα, δηλ. «βλέποντάς» τα, δηλαδή με το να στέλνουμεφωτόνια πάνω τους και να ανιχνεύουμε τασκεδαζόμενα φωτόνια με τον κατάλληλοανιχνευτή.Πηγή

Ανιχνευτής

Αντικείμενο

Η διαδικασία αυτή [οπτική παρατήρηση] δουλεύει όσο το μήκος κύματος του«φωτός» είναι [αρκετά] μικρότερο τουαντικειμένου. Απαραίτητη προϋπόθεση παρατήρησηςμικρών διαστάσεων: χρήση μικρούμήκους κύματος.



Όταν το μήκος κύματος < λ(ορατού)?

Χρησιμοποιούμε «φώς» [δηλ. ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δηλ. φωτόνια] μικρότερου μήκους κύματος. Πρόβλημα: και πως φτιάχνομε φωτόνια που να έχει εξαιρετικάμικρό μήκος κύματος; Τέτοιο που να ξεχωρίζουμε διαστάσεις < Angstrom?

ΠΟΛΥ ΔΥΚΟΛΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕ ΑΛΛΑ ΣΩΜΑΤΙΑ.

Κβαντική Φυσική: [De Broglie] στο κάθεσωμάτιο αντιστοιχείένα κύμα με μήκοςκύματος

Κβαντική Φυσική: [De Broglie] στο κάθεσωμάτιο αντιστοιχείένα κύμα με μήκοςκύματος

Χρειαζόμαστε σωμάτια με πολύμεγάλη ενέργεια [ορμή]. Άρα, πρέπεινα επιταχύνουμε σωμάτια. Η ισχυρό-τερη δύναμη στις «ανθρώπινες»κλίμακες? Ηλεκτρομαγνητισμός.

Χρειαζόμαστε σωμάτια με πολύμεγάλη ενέργεια [ορμή]. Άρα, πρέπεινα επιταχύνουμε σωμάτια. Η ισχυρό-τερη δύναμη στις «ανθρώπινες»κλίμακες? Ηλεκτρομαγνητισμός.



Άρα: επιταχυντές φορτισμένωνσωματιδίων!


43

Άπλετη διαθεσιμότητα πρωτονίωνκαι ηλεκτρονίων χρησιμοποιούμε[κυρίως] επιταχυντές ηλεκτρονίωνκαι πρωτονίων

Π.χ. Δεκαετία60:SLAC (Stanford, US) επιταχυντήςe [Ε=20 GeV]. Τα e προσέπι-πταν σεσταθερό στόχο[πρωτόνια...]

ανακάλυψηk

Π.χ. Δεκαετία60:SLAC (Stanford, US) επιταχυντήςe [Ε=20 GeV]. Τα e προσέπι-πταν σεσταθερό στόχο[πρωτόνια...]

ανακάλυψηk


Επιταχυντές Σωματιδίων

Επιτάχυνση δωματιδίων σε πολύ Υψηλές Ενέργειες

de Broglie

Οι υψηλές ενέργειες μας επιτρέπουν

i) Να δούμε βαθύτερα στη φύση (E α 1/μήκος),(“ισχυρά μικροσκόπια”)

Einstein

ii) Να ανακαλύψουμε νέα σωμάτια μεμεγαλύτερη μάζα (E = mc2)

Boltzmann

iii) Να μελετήσουμε την κατάσταση του«νεανικού σύμπαντος» (E= kT)

Στόχος: Επίσκεψη των πρώτων στιγμών τουσύμπαντός μας μέσω ισχυρών μικροσκοπίων, για την παρατήρηση των φαινομένων και τωνσωματιδίων τα οποία δεν παρατηρούμε πλέον

Στόχος: Επίσκεψη των πρώτων στιγμών τουσύμπαντός μας μέσω ισχυρών μικροσκοπίων, για την παρατήρηση των φαινομένων και τωνσωματιδίων τα οποία δεν παρατηρούμε πλέον

Καιόλα

αυτά, με

ελεγχό

μενο

τρόπο, στ

ο εργασ

τήριο

Καιόλα

αυτά, με

ελεγχό

μενο

τρόπο, στ

ο εργασ

τήριο



Τα συγχονα πειραματα απαιτούν...1. Επιταχυντές: απίστευτα ισχυρέςμηχανές που επιταχύνουν σωματίδιασε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες καιακολούθως τα φέρνει σε σύγκρουση

1. Επιταχυντές: απίστευτα ισχυρέςμηχανές που επιταχύνουν σωματίδιασε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες καιακολούθως τα φέρνει σε σύγκρουση

2. Ανιχνευτές: γιγαντιαία όργανα πουκαταγράφουν τα σωματίδια πουπαράγονται στις συγκρούσεις αυτές

2. Ανιχνευτές: γιγαντιαία όργανα πουκαταγράφουν τα σωματίδια πουπαράγονται στις συγκρούσεις αυτές3. Computers: για την συγκομιδή, αποθήκευση και ακόλουθη αποστολήτων τεράστιων δεδομένων πουπαράγονται απο τους ανιχνευτές

3. Computers: για την συγκομιδή, αποθήκευση και ακόλουθη αποστολήτων τεράστιων δεδομένων πουπαράγονται απο τους ανιχνευτές

4. Άνθρωποι: μόνο μία παγκόσμιασυνεργασία χιλιάδων επιστημόνων, μηχανικών, τεχνικών, και υποστήριξηςμπορούν να σχεδιάσουν, νακατασκευάσουν και να λειτουργήσουναυτές τις πολύπλοκες «μηχανές»...

4. Άνθρωποι: μόνο μία παγκόσμιασυνεργασία χιλιάδων επιστημόνων, μηχανικών, τεχνικών, και υποστήριξηςμπορούν να σχεδιάσουν, νακατασκευάσουν και να λειτουργήσουναυτές τις πολύπλοκες «μηχανές»...



Jefferson Lab: Ο πλέον τεχνολογικάεξελιγμένος επιταχυντής Ηλεκτρονίων

•Πλήρως κρυογενικός Επιταχυντής.•Μελέτη της δομής πυρήνων και αδρονίων•Η ποιότητα της δέσμης του έχειασυναγώνιστα χαραστηριστικά (έντασηκαι κατάληψη φασικού χώρου)ασυναγώνιστη)

A C

•Επιταχυντής Ηλεκτρονίων μεδέσμες μέχρι 12 GeVΤρείς πειραματικοί σταθμοί μεεξειδικευμένη οργανολογία για τηνμελέτη πυρήνων και αδρονίων

B


Ο Επιταχυντής ηλεκρονίων CEBAF45 MeV injector (100 µA, ~85% polarization)Two 600 MeV linacs (up to 4 recirculations)Max. energy 5.7 GeV, beam simultaneous to all 3 HallsNow upgraded to 12 GeV


Το CERN, απο ψηλά...

Lac LemanLac Leman

Large Hadron Collider27 km περίμετροςLarge Large HadronHadron ColliderCollider27 km 27 km περίμετροςπερίμετρος

CMSCMS

ATLASATLAS

LHCbLHCb

ALICEALICE



Problems with the Higgs and the Standard Model

n Quadratic divergence in its mass

u Or: why is the Higgs mass so low? What is the mechanism?n Where is all this vacuum energy?

u We would expect a tremendous energy density (>10100 times larger than observed! Cosmological constant “too small”)

n What about the missing mass (dark matter)? What is it?

( ) ( ) ∫Λ

+Λ=2

2

222222

pdkCgmpm

Dark (invisible) matter!

Κύρια παράμετρος: μαγνητικόπεδίο διπόλων που κάμπτουντη δέσμη

p (TeV) = 0.3 B(T) R(km)Για p = 7 TeV και R = 4.3 km

B = 8.3 T Ρεύμα: 12 kA

Κύρια παράμετρος: μαγνητικόπεδίο διπόλων που κάμπτουντη δέσμη

p (TeV) = 0.3 B(T) R(km)Για p = 7 TeV και R = 4.3 km

B = 8.3 T Ρεύμα: 12 kA

Χρειάζονται υπεραγώγιμοι μαγνήτεςLHC: ψύξη με συμπιεσμένο He (1.9K)

Ψυχρότερο μέρος στο σύμπαν (?)Ψυγεία παγωγής υγρού He: καταλώ-νουν 40 MW.

Χρειάζονται υπεραγώγιμοι μαγνήτεςLHC: ψύξη με συμπιεσμένο He (1.9K)

Ψυχρότερο μέρος στο σύμπαν (?)Ψυγεία παγωγής υγρού He: καταλώ-νουν 40 MW.

Η ίδια μηχανή με συμβατικους ηλεκ-τρομαγνήτες θα είχε:

• Περίμετρο: 100 km • Κατανάλωση ηλεκτρ: 1000 MW

Η ίδια μηχανή με συμβατικους ηλεκ-τρομαγνήτες θα είχε:

• Περίμετρο: 100 km • Κατανάλωση ηλεκτρ: 1000 MW4 Μαρτίου 2010 49



Εγκάρσια τομή ανιχνευτή (πειράματος)


R = 0.3 B/ PTR = 0.3 B/ PT


MUON BARREL

CALORIMETERS

Silicon MicrostripsPixels

ECALScintillating PbWO4Crystals

Cathode Strip Chambers (CSC)Resistive Plate Chambers (RPC)

Drift TubeChambers (DT)

Resistive PlateChambers (RPC)

SUPERCONDUCTINGCOIL

IRON YOKE

TRACKERs

MUONENDCAPS

Total weight : 12,500 tOverall diameter : 15 mOverall length : 21.6 mMagnetic field : 4 Tesla

HCALPlastic scintillatorcoppersandwich

The Compact Muon Solenoid (CMS)


Χαρακτηριστικές κλίμακεςκαι μονάδες

Δεν μετρώνται όλα σε χιλιόμετρα και τόνους...


Πυρηνικές Κλίμακεςn Σε κάθε φυσικό σύστημα αντιστοιχούν κάποιες

«κλίμακες» που το χαρακτηρίζουνu Ένα απο τα ερωτήματα στη Φυσική είναι ηαιτία/επεξήγηση αυτών των «φυσικών κλιμάκων»

n Ποιές είναι οι κατάλληλες για τα πυρηνικάσυστήματα;

u Μάζα:u Μέγεθος (μήκος):u Πυκνότητα:u Ενέργεια:u Χρόνος:

26 Φεβρουαρίου 201053


(1) Παραδόσεις του μαθήματος : Εισαγωγή στην πυρηνική...

Documents

Transcript of (1) Παραδόσεις του μαθήματος : Εισαγωγή στην πυρηνική...